这里描述了一种使用核磁共振波谱法量化土壤中己二酸对苯二酸丁二醇酯衍生的微塑料和纳米塑料的方法。该技术改进了现有方法,因为它扩展到纳米塑料的定量,并且可以轻松适应批量处理环境样品。
方法文章
这里描述了一种使用核磁共振波谱法量化土壤中己二酸对苯二酸丁二醇酯衍生的微塑料和纳米塑料的方法。该技术改进了现有方法,因为它扩展到纳米塑料的定量,并且可以轻松适应批量处理环境样品。
需要一种方法来恢复和量化生物降解过程中在土壤中形成的微塑料和纳米塑料(MP 和 NPs),以准确评估可生物降解塑料产品的降解和环境影响。土壤中 MP 和 NP 的存在可能会改变土壤特性,如聚集行为或对土壤生物群产生毒性作用。现有的 MP 回收方法并不总是适用于测量聚己二酸对苯二醇酯 (PBAT) 等可生物降解聚合物;一些常见的酸或氧化剂消解程序会破坏基于 PBAT 的可生物降解 MP。微量 FTIR 和微量拉曼光谱等鉴定方法也受到可回收和分析的颗粒最小尺寸的限制。因此,开发了这种方法来从土壤中提取和量化 PBAT,以评估土壤中 MPs 和 NPs 的质量分数,而无需化学转化 PBAT。在该方案中,使用氯仿 - 甲醇溶液从土壤中选择性提取 PBAT。溶剂从提取物中蒸发,然后将提取物重新溶解在氘代氯仿中。在定量参数下通过质子核磁共振波谱 (1H-QNMR) 分析提取物,以量化每个样品中 PBAT 的量。PBAT 的溶剂萃取效率范围从阴凉壤土中的 76% 到 Elkhorn 沙壤土中的 45% 不等。与原始材料相比,光氧化材料的 PBAT 回收率可能会降低,而在粘土含量高的土壤中可能会降低。提取效率不取决于测试范围内的 PBAT 浓度,但观察到 NP 的提取效率低于 MP。PBAT 定量结果与在实验室培养研究中通过测量累积土壤呼吸来量化塑料降解的结果相当。
测量土壤中 MP 污染的方法对于了解全球土壤中塑料污染的范围1、塑料污染源2 和潜在解决方案3 是必要的。农业土壤特别容易受到塑料污染:截至 2021 年,每年农业中使用的塑料超过 1500 万吨4,其中包括 250 万吨塑料覆盖物5。塑料覆盖物与土壤紧密接触,每年重新施用一次或多次6,并且在使用寿命过后很难从土壤中完全清除7。需要 MP 测量方法的一个关键领域是评估可生物降解的塑料产品,例如用于蔬菜系统的可生物降解塑料覆盖物8。
土壤中可生物降解的塑料产品是传统农业塑料的有前途的替代品,因为如果它们按预期工作,它们可以消除塑料覆盖物对土壤的塑料污染。2022 年,全球可生物降解塑料产量不到 100 万吨,预计该行业将快速增长9。四种最常见的可生物降解聚合物,即聚乳酸 (PLA)、聚合淀粉、聚羟基脂肪酸酯 (PHA) 和己二酸对苯二甲酸丁二醇酯 (PBAT),均用于农业可生物降解塑料地膜的商业或实验10。尽管前景广阔,但这些可生物降解塑料产品在田间条件下的降解是可变的11。虽然现场一些关于可生物降解塑料覆盖物降解的研究集中在大型塑料碎片11 上,但评估塑料材料的完全降解需要能够从土壤中回收 MP 和 NP。土壤中的微塑料量化对于评估 MP 污染对土壤生态系统的潜在负面影响也很重要12。
MP 鉴定和定量的一些常用技术包括视觉分析、微傅里叶变换红外光谱 (μFTIR)、微拉曼光谱 (μRaman)、气相色谱-质谱(GCMS,包括热解 GCMS 和热萃取脱附 GCMS)和热重分析13。其他开发中的技术包括用于土壤中原位 MP 测量的近红外光谱14、用于 GCMS 分析的脂肪酸甲酯萃取15 和核磁共振波谱16。在量化土壤中 MP 的研究中,多达 90% 使用视觉分析(单独或与其他技术配对)来识别塑料颗粒,而 77% 使用 FTIR、拉曼或 GCMS 光谱技术17。开发和协调各种 MP 定量技术有助于扩大科学界回答各种微塑料研究问题的能力18。有三种通用方法可以制备土壤样品以量化微塑料:1) 从土壤中分离不变的单个微塑料颗粒(例如通过密度分离),2) 提取转化的塑料或聚合物材料(例如通过溶解),或 3) 分析散装土壤。μFTIR 和 μRaman 光谱都需要先将单个 MP 与土壤分离,然后才能对其进行化学鉴定19,而 pyro-GCMS 可以对从土壤或散装土壤中分离的塑料颗粒进行20。从土壤中分离可生物降解的 MP 可能很困难,因为一些用于去除土壤有机物的消化会降解或以其他方式化学改变可生物降解的聚合物,包括 PBAT21。微量拉曼光谱和 μFTIR 光谱也都有空间分辨率限制:μFTIR 的颗粒必须大于 10-20 μm,μRaman 的颗粒必须大于 1 μm(如果可以制备如此小的单个颗粒进行分析)19,22。这些技术可以提供 MP 聚合物的化学鉴定,并且可以采用光谱成像来测量 MP22 尺寸。所有类型的 pyro-GCMS 都受到限制,因为样品在分析过程中会被破坏。
核磁共振已成功用于表征土壤成分和污染物23,量化 MP 16,24,25,26,以及评估 PBAT 和另一种聚合物聚苯乙烯的降解27,28。当在定量参数下运行时,1H-NMR 波谱产生的波谱中,每个波谱峰的面积与样品中贡献的氢的数量成正比;这允许定量样品29 中的组成成分。NMR 是一种有价值的分析技术,可用于定量土壤中的一些 MP,包括 PBAT,因为它可以同时定量和鉴定,适用于复杂和不纯的混合物,并且不需要化学上相同的参考标准品30,31。溶剂提取物的 NMR 波谱可以定量比可用于 μFTIR、μRaman 或 GCMS 定量的 MP 或 NP 小的 MP 或 NP。尽管有这些优势,但定量 NMR 方法的灵敏度仍然低于基于破坏性质谱的方法32。
所提出的方法如图 1 所示,描述了处理和分析含有 PBAT 的土壤样品(包括纳米级 PBAT 塑料)的工作流程。在该方法中,通过用氯仿和甲醇的混合物摇动土壤,从土壤样品中提取 PBAT 聚合物。将含有 PBAT 的溶剂提取物干燥,然后重新溶解在添加内部校准剂的氘代氯仿中。使用定量参数对提取物进行 NMR 波谱分析。通过比较对应于 PBAT 和校准分子的氢原子的拟合峰面积,分析所得谱图以定量 PBAT。该方法应用了 Nelson 等人33 演示的溶剂萃取和质子核磁共振波谱 (1H-NMR) 方法。目标是采用一种适合处理环境规模样品(~100 g 土壤)的方法,并在没有专业提取设备的情况下并行处理多个样品。
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1. 土壤的收集和准备
注:采样和处理设备不应包含聚合物 PBAT 或其成分,以避免样品污染。其他聚合物材料不一定会干扰土壤中 PBAT 的定量。例如,聚乙烯和聚丙烯在氯仿 1H-NMR 中不会产生干扰 PBAT34 定量的光谱峰,但聚对苯二甲酸乙二醇酯及其对苯二甲酸乙二醇酯很可能会干扰35,其他聚酯也是如此。Brandolini 和 Hills34 等参考文本可用于确定各种聚合物的 1H-NMR 波谱,并筛选与用于定量的 PBAT 峰重叠的峰(如下所述)。
2. 从土壤中提取 PBAT
注意:氯仿易挥发且有毒。将其存放在琥珀色玻璃中,避光,远离氧化剂。使用它时,请佩戴适当的手套、护目镜和防护服。只能在通风橱中处理。甲醇易燃、易挥发且有毒。将甲醇储存在防火柜中。使用甲醇时,应佩戴适当的手套、护目镜和防护服。只能在通风橱中处理甲醇。玻璃器皿可能会破裂并造成伤害。处理玻璃器皿时佩戴护目镜。避免徒手触摸碎玻璃。相反,请使用防割手套、钳子、扫帚或其他工具清理碎玻璃。
注意:氯仿与大多数塑料或金属不兼容。确保所有材料均兼容(例如,玻璃或聚四氟乙烯、PTFE 塑料)。
3. NMR 波谱的收集
注意:氘代氯仿带来与上述质子化氯仿相同的风险,需要采取相同的预防措施。
4. 分析 NMR 波谱以量化 PBAT
注:光谱分析可在采集后的任何时间进行。最好在生成光谱的同一天分析数据,以确保样品在出现任何问题时仍可重新运行。






5. 制备校准曲线,用于定量特定土壤的 PBAT
注意:根据添加已知量 PBAT 的土壤样品创建的校准曲线将提供有关如何从特定土壤中提取和回收 PBAT 的有用信息。所有土壤或所有形式的 PBAT 的提取都不相同。我们怀疑提取效率取决于土壤粘土和有机质含量33,并建议为每个感兴趣的土壤系列和层级创建校准曲线。可以在使用此方法处理未知样品之前或之后创建校准曲线。


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为了评估该方法在定量土壤中 PBAT 聚合物的有效性,通过从三种不同土壤产生的加标样品中提取 PBAT 来构建校准曲线。对于三种土壤中的每一种(详见 表 3),土壤通过 2 毫米的筛子,然后风干。向 100 g 干土壤中加入 0 mg、9 mg、18 mg、27 mg 或 36 mg 基于 PBAT 的 MP(每种重复 5 次),制备加标样品。这相当于 0、63、126、189 或 252 mg/kg 的 PBAT 聚合物。根据 Astner 等人45 中描述的研磨程序,MP 由质量为 70% PBAT 和 50 μm 厚度的塑料覆盖物制成,小于 840 μm。为了创建每条校准曲线,按照上述程序从每个加标样品中提取 PBAT。然后将 PBAT 的回收率与添加到每个样品中的 PBAT 量进行比较。还测试了一种土壤(阴壤土)中 NPs(平均直径 780 nm,多分散指数 0.77,根据 Astner 等人 45 制备)的 PBAT 回收率和定量。
对于所有土...
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我们提出了一种从土壤中溶剂提取 PBAT 的方法,结合 1H-NMR 来量化提取物中的 PBAT。提取过程的关键要素包括提取技术和设备、用于提取的溶剂以及时间要求。与 Nelson 等人33 演示的索氏萃取和加速溶剂萃取 (ASE) 相比,我们选择使用一种提取技术,该技术需要相对简单且廉价的设备(玻璃罐、玻璃珠和摇床)。该方法的目标是可以并行提取许多样品,以加快散装土壤样品的处理速度。简单的溶剂振荡萃取的另一个优点是,与索氏萃取或 ASE 方法相比,可以容纳更大量的土壤,从而更容易处理具有环境代表性的样品13,36。我们根据 Nelson 等人33 提出的成功结果以及氘代氯仿作为 1H-NMR 溶剂的可用性选择了氯仿-甲醇溶剂。与简单的溶剂振荡方法相比,我们测试了符合 Nelson 等人
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作者声明,他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系,这些利益或个人关系似乎可能会影响本文报告的工作。
感谢 USDA-NIFA 通过授予 SMS 的奖励号 2020-67019-31167 资助该项目,并感谢田纳西大学战略规划研究计划 (SPRINT) 计划的内部赠款 DGH 和 SMS。资助者在研究设计、数据收集、分析、解释、报告撰写或提交文章发表的决定中没有作用。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1,4-二甲氧基苯 | Arcos 有机物 99%+ | AC115411000 | 每个样品 1 mg |
| 琥珀色玻璃瓶,带 PTFE 内衬盖 (1 L) | Kimble | 5223253C-26 | 可重复使用 |
| 的氯仿;三氯甲烷 | Fisher Chemical | AA43685M6 | 每个样品 90 mL;Fisher Optima |
| 氘代氯仿;三氯(氘)甲烷 | Sigma Aldrich | 1034200025 | 每个样品 1 mL;氘含量最低为 99.8%;用银玻璃 |
| 珠稳定(直径 3 mm) | 专有制造 | 3000600 | 每个样品 20 |
| 带 PTFE 内衬盖的玻璃萃取罐(~250 mL 体积) | Kimble | 5510858B | 每个样品 2 个,可重复使用 |
| 量筒,1 L,聚丙烯 | 重复使用 | Nalgene | 3662-1000 |
| 量筒,500 mL,可重复使用的聚丙烯 | Nalgene | 3662-0500 | 重复使用 |
| 的甲醇 | Fisher Chemical | A412-4 | 每个样品 20 mL;ACS 认证 |
| 微量移液器,范围为 0.5 - 1 mL | Fisher Scientific | 3123000063 | 可重复使用 |
| NMR 波谱仪 | Bruker | n/a | 500 MHz 仪器 |
| NMR 管(7 英寸高,高通量) | Wilmad | WG-1000-7 | 每个样品 1 |
| 平台摇床 | Eppendorf, Excella E5 | M1355-0000 | 可重复使用 |
| 聚乙烯移液器吸头(10 mL 容量) | Eppendorf | 22492098 | 1 个/样品,一次性使用 |
| 聚丙烯微量移液器吸头(1 mL 容量) | Fisher Scientific | 02-707-510 | 3 个/样品,一次性使用 |
| 半微量天平 | 梅特勒托利多 | 30532226 | 可重复使用 |
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